JP2002160079A - 薄膜アブレーション加工方法及び装置 - Google Patents

薄膜アブレーション加工方法及び装置

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JP2002160079A JP2000364983A JP2000364983A JP2002160079A JP 2002160079 A JP2002160079 A JP 2002160079A JP 2000364983 A JP2000364983 A JP 2000364983A JP 2000364983 A JP2000364983 A JP 2000364983A JP 2002160079 A JP2002160079 A JP 2002160079A
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laser beam
transparent substrate
ultrashort pulse
ablation
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Masayuki Fujita
雅之 藤田
Akira Yoshikado
章 吉門
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Institute for Laser Technology
Toyo Precision Parts Mfg Co Ltd
Original Assignee
Institute for Laser Technology
Toyo Precision Parts Mfg Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超短パルスレーザ光の照射による薄膜のアブ
レーション加工の際に蒸散する薄膜の微粒子によるレー
ザ光への妨げをなくし、多光子吸収により透明基板と薄
膜のバンドギャップ差を利用した高精度のアブレーショ
ン加工を実現する。 【解決手段】 パターン加工を施すため支持ステージ７
上に支持された透明基板１０上に薄膜１１を成膜した被
対象物Ａに対し、薄膜１１の背面から基板１０を透過さ
せて超短パルスレーザ光を照射するため、超短パルスレ
ーザ１からのレーザ光を伝送、照射する光学系のうち少
なくとも集光レンズ６を背面に配置し、薄膜１１をアブ
レーション加工するのに適したレーザ光を照射して薄膜
を高精度でアブレーション加工する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ガラス基板など
の透明基板上に成膜された薄膜を所定形状にレーザ光に
よりアブレーション加工する薄膜アブレーション加工方
法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】液晶表示装置、プラズマディスプレイ、
ＥＬ素子、太陽電池、タッチパネル、ヒータガラスなど
の分野では、その回路基板等としてガラスなどの透明基
板上にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）な
どの透明の電極薄膜が成膜されて用いられる。このよう
な基板上に成膜された薄膜を所定形状にパターニング加
工する場合、量産性、品質、コスト面の観点からホトリ
ソグラフィを用いたウェットエッチング法により行なわ
れるのが現状では一般的である。
【０００３】上記ウェットエッチング法は、周知のよう
に、基板上に酸化膜等の薄膜を付着させて表面を洗浄
し、その上にホトレジストを塗って乾燥した後マスクを
重ね、紫外線等の光を照射して感光させ、感光して硬化
した部分を除き現像液で現像し洗浄するとレジストが除
去され、レジストが除去された部分の酸化膜等の薄膜を
溶液で溶かした後別の溶液でレジストを取り除き洗浄
し、このような工程を複数回繰り返して基板上に所定形
状のパターニングをするものである。
【０００４】従って、ウェットエッチング法は多数の工
程を必用とし、多くの労力と時間、及び多大なコストが
かかる。その上、薬液や洗浄などに多量の水が使用され
るため、水資源の濫用と廃水による環境汚染などの問題
が指摘されている。このため、薬液や洗浄工程を必用と
しないドライエッチング法などが提案されている。ドラ
イエッチング法の１つとしてレーザによる薄膜の除去加
工法によりパターニングする処理法が一部で行なわれて
いる。この方法では基板上に積層される薄膜の各層毎に
レーザ光を照射して、薄膜の不要部分をアブレーション
により除去し回転パターンを形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ドライエッチ
ング法は作業の高速化、ケミカルフリーの観点ではとも
かくとして、量産性、品質、コスト面を含む総合的な評
価としてはなおウェットエッチング法を上回るには至っ
ていない。特に、レーザビームを薄膜に照射してアブレ
ーションによる除去加工をする方法では、使用するレー
ザのパルス巾が長く、熱の発生による変質が生じること
がある。
【０００６】又、アブレーションで飛散する微粒子（デ
ブリス）が入射するレーザビームの進行方向と逆方向に
進むため、微粒子がレーザビームに衝突してレーザ光の
散乱が生じレーザビームの形状が変形し、このためパタ
ーニングの加工形状が直線的でなくなり、加工精度が低
下する。さらに、飛散粒子のワークへの再付着が生じた
り、飛散粒子がレーザ光を射出するホルダの集光レンズ
を汚染し、ホルダを取り替える必用が生じたりする。
【０００７】この発明は、上記の問題点に留意して、レ
ーザ光の照射での熱影響による変質、変形を最小限に抑
制し、アブレーションにより飛散する微粒子によるレー
ザ光の散乱や衝突の機会を少なくして精度の高い加工形
状の薄膜加工ができ、かつ飛散粒子のワークへの再付着
とレンズやミラーなどの光学系に対する付着を防止でき
る薄膜加工方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決する手段として、透明基板上に成膜された薄膜に
対し、この薄膜をアブレーション加工する超短パルスで
かつ薄膜に選択的に吸収される波長のレーザ光を基板側
から入射させ、基板を透過したレーザ光を薄膜に照射し
て照射部分をアブレーション加工する薄膜アブレーショ
ン加工方法としたのである。
【０００９】又、上記方法を実施する装置として、薄膜
をアブレーション加工する超短パルスレーザ光を発生す
る超短パルスでかつ薄膜に選択的に吸収される波長のレ
ーザと、その超短パルスレーザ光を薄膜に対し伝送、照
射する光学系と、薄膜を成膜された透明基板を支持する
支持ステージとを備え、上記光学系のうち少なくともレ
ーザ光を薄膜に集光、照射する光学部材を透明基板側に
配置し、レーザ光を透明基板側から薄膜に照射し、所定
パターンのアブレーション加工を施すように構成した薄
膜アブレーション加工装置を採用することもできる。
【００１０】上記の薄膜アブレーション加工方法及び装
置では、超短パルスレーザで発生した超短パルスレーザ
光を被対象物の薄膜に対して背面方向からの照射法によ
り照射して所定パターン形状のアブレーション加工を実
施する。この場合、基板はレーザ光の吸収のない透明基
板でなければならず、レーザ光を透過して薄膜へ選択的
に照射される。
【００１１】薄膜への選択的な吸収は、レーザ光の波長
と強度を所定の帯域内で選定することにより可能であ
る。ガラスなどの透明基板のバンドギャップは、ＩＴＯ
や金属などの薄膜材料より一般に大きく、低いエネルギ
（長波長）で薄膜材料は光の吸収が始まるため、薄膜で
は吸収され透明基板では透過される波長及びパルス幅と
することにより基板には影響を及ぼさないようにする。
【００１２】又、薄膜に対しアブレーション加工を行な
うためには、光の吸収により材料物質に電子励起状態を
生起するだけでなく、直接物質を蒸散させるため、照射
されるレーザ光のパルス幅を少なくともピコ秒以下に短
い超短パルス幅として、１パルス当たりのレーザ光のエ
ネルギが集中する必要がある。このような超短パルス幅
のレーザ光とすることにより多光子吸収が起こり、アブ
レーション加工によるエッジの加工状態がシャープなエ
ッジとなる。このような背面照射と超短パルスレーザ光
によるアブレーション加工とにより薄膜のパターン加工
形状がきれいで、高精度な仕上げ状態となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照して説明する。図１は実施形態の薄膜アブ
レーション加工装置の概略構成図である。図示の超短パ
ルスレーザ１は、レーザ媒質であるチタンサファイア結
晶を発振材料として、波長８００ｎｍ、パルス幅１３０
ｆｓ（フェムト秒）、１パルス当たりのエネルギ０．５
３〜１ｍ／ｊ、繰り返し周波数は１ＫＨｚの超短パルス
レーザ光を発生するレーザが用いられている。この超短
パルスレーザ１で発生したレーザ光は、径４ｍｍのビー
ムをレンズユニット２で径を調整し、反射ミラー３、
３’で方向を変え、途中アテネータ４でレーザパワーを
調整し、シャッタ５を通過して集光レンズ６により被対
象物Ａに焦点を合わせて集光、照射させる。上記レンズ
ユニット２から集光レンズ６までが光学系を成してい
る。
【００１４】所定位置に設置されたステージ７上のテー
ブル７ａ上には支持手段８を介して被対象物Ａが着脱自
在に保持されており、テーブル７ａは図示しない駆動手
段により水平なＸ−Ｙ方向、及び上下方向に移動自在で
あり、テーブル７ａを上下方向及び水平方向に移動させ
ることにより被対象物Ａにパターン加工を施すことがで
きる。被対象物Ａは、図２に示すように、透明基板１０
に薄膜１１が成膜されたものである。この場合、被対象
物Ａに対して上記光学系のうち少なくとも集光レンズ６
は、透明基板１０側から薄膜１１を照射するように配置
されている。即ち、従来の加工装置ではレーザ光を透明
基板１０と反対側の薄膜１１側から照射するのが原則で
あるのに対し、この実施形態では薄膜１１の背面から入
射する背面入射法を採用している。
【００１５】透明基板１０は、純粋に透明であればよ
く、例えば透明ガラス基板又はＰＥＴ（ポリエチレンテ
レフタレート）フィルムなどが用いられ、薄膜としては
ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）透明電極
の薄膜、あるいはＣｒ等の金属薄膜が対象である。又、
薄膜の成膜法としては、レーザＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ Ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの化学
気相法、あるいはビームスパッタリング法、マグネトロ
ンスパッタ法など薄膜を形成できればいずれの方法を用
いてもよい。
【００１６】なお、図示していないが、薄膜をアブレー
ション加工すると、気化した薄膜の微粒子（デブリス）
が浮遊するため光学系と反対側の適宜位置に微粒子を吸
収除去する吸引手段（クリーナ）を設けてある。
【００１７】上記の配置、構成とした実施形態の加工装
置ではフェムト秒の超短パルスレーザ光を被対象物Ａの
薄膜１１に対し背面より照射してアブレーション加工に
より所定のパターン加工を実施する。レーザ光を薄膜１
１に対し背面照射するため、アブレーション加工により
蒸散するＩＴＯや金属の薄膜の微粒子が周辺に浮遊する
が、レーザ光が入射される背面側へ直ぐに移動すること
はないため、入射レーザ光に直接妨げとなることはな
く、レーザ光が散乱したり、微粒子が被対象物Ａに再付
着することがないため、パターン加工に対し加工精度を
低減することがなく、高精度できれいな加工形状、加工
寸法の加工品が得られる。
【００１８】背面照射により薄膜をアブレーション加工
する場合、レーザ光は透明基板１０を透過し、薄膜に対
しては選択的に光の吸収を生じる必要がある。又、超短
パルスのレーザ光でアブレーション加工をするための条
件は、パルス幅が少なくともピコ秒以下の可能な限り短
パルス幅であることと、加工対象物の光吸収特性がその
レーザ光の波長域及び強度である程度以上の大きさを有
することである。
【００１９】超短パルスレーザのパルス幅をフェムト秒
より少しずつ長くすると薄膜に対するパルス時間当たり
の熱伝導距離が長くなり、ピコ秒以上では周囲へ熱の拡
散の影響が生じるため加工部のエッジが鋭い加工エッジ
の仕上げとならず、熱影響で加工残滓などが残るように
なる。このため、光の照射領域のみへのエネルギの集中
を生じさせるためパルス幅は少なくともピコ秒以下に短
くしなければアブレーション加工ができなくなり、フェ
ムト秒程度とするのが最も好ましい。
【００２０】一方、背面照射により加工される被対象物
の光吸収特性として、基板はその材料の持つハンドギャ
ップが被対象物の薄膜より大きい材料である必用があ
る。透明基板１０として、例えばソーダガラスの場合バ
ンドギャップは６〜８ｅＶ、薄膜１１の例としてＩＴＯ
透明電極又はＣｒなどの金属薄膜は４ｅＶ又はそれ以下
程度であり、バンドギャップに大きな差がある。バンド
ギャップが大きいということはそれだけその材料のエネ
ルギ準位が大きく、光吸収係数も異なり、ＩＴＯや金属
の薄膜ではガラスより低いフォトンエネルギ強度のレー
ザ光に対して光の吸収が始まる。
【００２１】このため、ＩＴＯや金属の薄膜への光吸収
に適合する波長と強度のレーザ光を使用すれば、透明基
板１０に対しては光吸収がなく透明基板１０を透過して
薄膜へ照射され、薄膜１１に対してはアブレーション作
用を及ぼすが透明基板１０に対しては何ら影響がないこ
ととなる。
【００２２】
【実施例】以下では、透明基板１０、薄膜１１について
上記特定の材料を組み合わせて実施形態の加工装置によ
りパターン加工を実施した例について説明する。
【００２３】被対象物Ａ1 マグネトロンスパッタ法によりＩＴＯ薄膜１１をガラス
基板１０上に成膜して被対象物Ａ1 を作成した。これに
照射されるレーザ光は、ビーム径２００μｍ、エネルギ
密度１Ｊ／ｃｍ2 として調整された上記超短パルスレー
ザ１のレーザ光を使用した。ガラス基板１０の厚みは
０．７ｍｍ、ＩＴＯ薄膜の厚みは１５００〜１９００オ
ングストロームである。テーブル７ａは２０ｍｍ／ｍｉ
ｎの速度で上下方向、Ｙ方向に任意に動かして薄膜表面
上に溝１２を切り出して図２に示すようなパターン加工
を行なった。加工形状は、図３の（ａ）図に示すような
極めて直線的なエッジの溝１２の加工形状が得られた。
図示の例は、レーザビームの幅で直線加工したものの一
部を拡大して示したものである。
【００２４】これに対し、比較例として従来と同様に薄
膜１１に対して正面から上記と同じ条件の超短パルスレ
ーザ光を照射して直線加工した形状は、図３の（ｂ）図
に示すようにエッジの仕上げ状態がノコギリ歯状に乱
れ、極めて加工精度が悪い仕上げのものとなった。
【００２５】被対象物Ａ2 透明基板としてＰＥＴフィルムを使用し、Ａ1 と同じ方
法でこの基板上にＩＴＯ薄膜を成膜して被対象物Ａ2 を
作成した。ＰＥＴ厚み１８８μｍ、ＩＴＯ厚み１０００
オングストローム（０．１μｍ）である。レーザ光の照
射条件はＡ1 の場合と同じである。この場合の加工仕上
げ状態はＡ1 のときと同じであり、比較例としての正面
側照射による加工仕上げもＡ1 の場合と同じく加工エッ
ジが乱れ、加工精度が悪いものしか得られなかった。
【００２６】被対象物Ａ3 ガラス基板１０上にＣｒ金属の薄膜１１を真空蒸着法に
より成膜して被対象物Ａ3 を作成した。ガラス厚み３ｍ
ｍ、金属薄膜厚み１０００オングストローム（０．１μ
ｍ）である。レーザ光の照射条件はＡ1 と同じである。
この例でも、加工仕上げ状態はＡ1 と同じであり、比較
例の仕上げ加工状態はＡ1 の場合と同じく加工エッジが
乱れ、加工精度が悪かった。
【００２７】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、この発明
の薄膜アブレーション加工方法及び装置では透明基板を
透過し薄膜に選択的に吸収される波長でかつ超短パルス
幅のレーザ光を基板上に成膜された薄膜に対し基板側か
ら入射させて薄膜をアブレーション加工するようにした
から、従来にように薄膜に対しレーザ光を正面から直線
照射した場合にアブレーション加工により蒸散する微粒
子による影響でレーザ光が散乱したり、微粒子が再付着
したりすることがなく、薄膜に対するパターン加工の形
状がきれいで、高精度な加工状態が得られるという利点
が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の溝膜アブレーション加工装置の概略
構成図
【図２】被対象物の構成、加工形状の説明図
【図３】仕上げ加工の説明図
【符号の説明】
１ 超短パルスレーザ ２ レンズユニット ３、３’ 反射ミラー ４ シャッタ ５ アテネータ ６ 集光レンズ ７ 支持ステージ ７ａ テーブル ８ 支持部材 １０ 透明基板 １１ 薄膜 Ａ 被対象物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｋ 101:42 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｚ (72)発明者 吉門 章 奈良県橿原市新堂町376−１ 東洋精密工 業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 AC00 CA03 CA11 DA11 DB10 DB13 DB14 5C027 AA01 5E339 AA01 AB02 AB05 BC01 BC05 BD03 BD05 BD11 BE05 DD03 5F004 AA05 BA20 BB03 CA05 DB13 EA38 EB02 5F072 AB20 RR01 SS08 YY06

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 透明基板上に成膜された薄膜に対し、こ
    の薄膜をアブレーション加工する超短パルスでかつ薄膜
    に選択的に吸収される波長のレーザ光を基板側から入射
    させ、基板を透過したレーザ光を薄膜に照射して照射部
    分をアブレーション加工する薄膜アブレーション加工方
    法。
  2. 【請求項２】 薄膜をアブレーション加工する超短パル
    スレーザ光を発生する超短パルスでかつ薄膜に選択的に
    吸収される波長のレーザと、その超短パルスレーザ光を
    薄膜に対し伝送、照射する光学系と、薄膜を成膜された
    透明基板を支持する支持ステージとを備え、上記光学系
    のうち少なくともレーザ光を薄膜に集光、照射する光学
    部材を透明基板側に配置し、レーザ光を透明基板側から
    薄膜に照射し、所定パターンのアブレーション加工を施
    すように構成した薄膜アブレーション加工装置。
  3. 【請求項３】 前記超短パルスレーザがフェムト秒パル
    ス幅のレーザ光を発生するレーザであることを特徴とす
    る請求項２に記載の薄膜アブレーション加工装置。
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